ES2409942B1 - Métodos de localización de daños en palas de aerogeneradores - Google Patents

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Abstract

Métodos de localización de daños en palas de aerogeneradores cuya configuración incluye una cavidad interior (7), particularmente la cavidad de la viga de la pala, que comprende los siguientes pasos: a) proporcionar las características sónicas de eventos predeterminados de daños de la pala, tales como una rotura de fibras o un fallo de una unión; b) proporcionar un transductor acústico (15), colocado en dicha cavidad interior (7) cerca de la raíz de la pala, conectado a un equipo para llevar a cabo análisis de emisiones acústicas utilizando las señales registradas por dicho transductor (15); c) comparar las señales registradas por dicho transductor acústico (15), separando el efecto debido al comportamiento reverberante de la cavidad interior (7), con dichas características sónicas para identificar un evento de daño y su localización, efectuando la comparación únicamente con las señales comprendidas dentro del rango de frecuencias correspondiente a dichos eventos predeterminados de daño.

Description

METODOS DE LOCALIZACION DE DAÑOS EN PALAS DE
AEROGENERADORES
CAMPO DE LA INVENCIÓN
5
Esta invención se refiere a métodos de localización de daños en palas de
aerogeneradores y en particular a métodos que utilizan un análisis de emisión
acústica.
10
ANTECEDENTES
La Emisión Acústica (AE) se refiere a la generación de ondas elásticas
transitorias producidas por una rápida redistribución de tensiones en un
material. Cuando una estructura está sujeta a un estímulo externo (un cambio
15
en la presión, la carga o la temperatura) unas fuentes localizadas disparan la
liberación de energía en forma de ondas de tensión que se propagan a través
de la superficie y son registradas por sensores.
La detección y análisis de señales AE puede proporcionar una
información valiosa sobre el origen y la importancia de una discontinuidad en un
2 o
material. Debido a la versatilidad de los Ensayos de Emisión Acústica (AET)
tiene muchas aplicaciones industriales (p. ej. verificación de la integridad
estructural, detección de defectos, pruebas de fugas ó supervisión de la calidad
de una soldadura) y se usa extensivamente como herramienta de investigación.
En particular, la vigilancia de eventos AE relacionados con la formación y
2 5
propagación de daños se viene aplicando en la monitorización de la salud
estructural, principalmente en los campos de la ingeniería civil y aeroespacial.
Cuando los eventos AE se propagan en un medio adecuado se comportan
como ondas guiadas. Se están dedicando muchos esfuerzos hacia la
monitorización de emisiones acústicas cuando se propagan a través de una
3 o
estructura, principalmente en forma de ondas de Lamb ó ondas de Rayleigh en
el rango de frecuencias de ultrasonidos bajos.
Dos ejemplos de la tecnología conocida son los siguientes.
US 4,524,620 describe un aparato para monitorizar la salud estructural
de las palas del rotor de un helicóptero que comprende uno o más transductores
acústicos asociados con una pala del rotor para monitorizar las emisiones
5
acústicas emitidas por la pala del rotor bajo tensiones operacionales. La salida
de los transductores está conectada con un ordenador. Las señales de salida
del transductor se procesan por el ordenador y se filtran para permitir lecturas
del nivel de retorno de la tensión en tiempo real de manera que se acumule un
contador de emisiones acústicas críticas que son indicativas de un daño o una
1 o
fatiga estructural irreversible de la pala del rotor.
US 2008/206052 se refiere a un método y a un dispositivo para
monitorizar el estado de palas del rotor en instalaciones eólicas en las que el
ruido conducido a través de la estructura se mide por medio de al menos un
sensor de desplazamiento dispuesto en una pala del rotor, las señales de salida
15
de dichos sensores determinan un espectro de frecuencia en una unidad de
evaluación por medio de métodos apropiados, el espectro de frecuencia se
compara con un espectro de referencia correspondiente a estados definidos de
daño y otros estados particulares almacenados en la unidad de evaluación, y el
estado de la pala del rotor se determina a partir de ello. El objetivo de la
2 o
invención es el de proporcionar un método y un dispositivo que permite
identificar y evaluar rápidamente daños locales interiores y exteriores y otros
estados de las palas del rotor causantes de daños para tener en cuenta su
efecto en la operación de la instalación de manera automatizada.
Los sistemas conocidos de monitorización de la salud estructural usando
2 5
análisis de emisiones acústicas son caros y complicados por lo que todavía no
están incorporados en los aerogeneradores comerciales.
Esta invención está orientada a la solución de ese problema.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar métodos de
localización de daños en palas de aerogenerador utilizando el análisis de
emisiones acústicas que pueden ser implementados fácilmente.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar métodos de
5
localización de daños en palas de aerogenerador utilizando el análisis de
emisiones acústicas que pueden ser implementados a un coste bajo.
Estos y otros objetos se consiguen proporcionado un método para
monitorizar la salud estructural de una pala de aerogenerador cuya
configuración incluye una cavidad interior utilizando el análisis de emisiones
1o
acústicas que comprende los siguientes pasos:
-Proporcionar las características sónicas de eventos predeterminados de
daño de la pala.
-Proporcionar al menos un transductor acústico colocado en dicha
cavidad interior cerca de la raíz de la pala, conectado a un equipo para llevar a
15
cabo análisis de emisiones acústicas utilizando las señales registradas por dicho
transductor.
-Comparar dichas señales registradas por dicho al menos un transductor
acústico, separando el efecto debido al comportamiento reverberante de la
cavidad interior, con dichas características sónicas para identificar un evento de
2o
daño y su localización. Esa ·comparación se lleva a cabo solamente para
aquellas señales comprendidas dentro del rango de frecuencias
correspondiente a dichos eventos predeterminados de daño.
En una realización preferente dicha cavidad interior es la cavidad de la
viga de la pala que generalmente tiene una geometría bien definida que facilita
2 5
el proceso de las señales mencionado anteriormente. Se consigue con ello un
método de localización de daños en palas de aerogeneradores fácil de
implementar.
En una realización preferente, dichos eventos predeterminados de daño
son eventos predeterminados de daño con unas características sónicas
3 o
comprendidas en un rango de frecuencias entre 1 Hz -1O kHz y, mas
preferentemente entre 1 00 Hz -5 kHz que incluye eventos de rotura de fibras y
eventos de fallos de uniones. Se consigue con ello un método de localización de
5
daños en palas de aerogeneradores que permite localizar los eventos de daño más significativos a un bajo coste. Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
1 o
La Figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de una pala típica de un aerogenerador. La Figura 2 es una vista esquemática en sección longitudinal de una pala típica de un aerogenerador mostrando la propagación de una onda sónica debida a un evento de daño en la cavidad de la viga de la pala.
15
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
2 o 2 5 3o
Las palas de aerogenerador típicas pueden tener una longitud entre 20 y 60 metros o incluso mayor y están construida con materiales compuestos tal como un plástico reforzado con vidrio (GRP). Como deben estar funcionado el mayor tiempo posible soportando muchos factores de daño tales como la fatiga, las ráfagas de viento, los impactos de rayos, la radiación solar y muchos otros es importante que puedan estar provistas con medios para la detección de daños y en particular daños tales como roturas, delaminaciones o fallos en uniones pegadas que pueden ser reparados. En este sentido, el objetivo de la presente invención es proporcionar métodos basados en el análisis de las variaciones en la frecuencias acústicas dentro de una pala dañada. La idea básica de la invención es un análisis de emisiones acústicas centrado en el uso de la cavidad definida por la viga de la pala como guía de la onda, estudiando el efecto de esta guía en la frecuencia de la onda sónica propagándose dentro de ella, evitando con ello los importantes problemas de amortiguación de las ondas sónicas que tienen lugar en las ondas estructurales en las estructuras de materiales compuestos. Se trata pues de ondas de sonido
audible y se opera con un sensor simple dentro de una geometría conocida.
Consecuentemente el sistema de monitorización según la presente invención
está basado en micrófonos convencionales y un equipamiento convencional, lo
que implica sistemas de monitorización provistos con algoritmos apropiados
5
para el proceso de señales acústicas baratos y fáciles implementar.
Como se ilustra en la Figura 1, una pala típica de aerogenerador tiene
perfil aerodinámico en sección transversal configurado como una sección de
tres celdas: la viga central 7, la concha del borde de ataque 5 y la concha del
borde de salida 9 formadas por uno o varios paneles.
1 o
Los métodos según la presente invención están por tanto basados en el
comportamiento de las ondas acústicas propagándose dentro de dicha viga
central 7 para monitorizar daños.
Como se muestra en la Figura 2 un evento de daño que tiene lugar en un
lugar 11 produce una onda sónica 13 que se propaga a lo largo de la cavidad
15
definida por la viga central 7. Esta onda sónica 13 se registra en el transductor
acústico 15 colocado en las cercanías de la raíz de la pala y la señal registrada
se procesa en un equipo informático apropiado para identificar el tipo de daño
(entre un conjunto predeterminado de daños) y su localización. Dicho equipo
puede ser un equipo dedicado para ejecutar el método según la presente
2 o
invención o un equipo usado también para otras finalidades.
Los daños más típicos en palas de material compuesto son roturas de
fibras y fallos de uniones pegadas. Estos tipos de eventos tienen unas
características sónicas bien definidas en un rango entre 1 Hz-1 O kHz y en los
casos más significativos entre 1 00 Hz -5 kHz por lo que pueden ser filtrados
2 5
fácilmente de otras señales acústicas, incluso por el simple oído. Así pues, en el
método según la presente invención solo se considerarán las señales dentro de
ese rango.
La vigas de las palas tienen una geometrías y una propiedades del
material muy bien definidas lo que implica unas propiedades muy particulares
3 o
para la propagación acústica en la cavidad definida en su interior.
El espectro del sonido presente en la raíz de pala consiste en una mezcla del evento acústico producido por el daño con el comportamiento reverberante de la cavidad.
Por medio de una comparación de las características sónicas de los daños conocidos y las características del sonido registrado en la raíz de la pala se puede determinar el efecto de la cavidad. Conociendo este efecto y las propiedades de propagación de la cavidad, se puede identificar la localización del daño.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión
1 o con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    5 1o 15
    1.-Un método para monitorizar la salud estructural de una pala de aerogenerador cuya configuración incluye una cavidad interior (7) utilizando el análisis de emisiones acústicas, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: -a) proporcionar las características sónicas de eventos predeterminados de daños de la pala; -b) proporcionar al menos un transductor acústico (15), colocado en dicha cavidad interior (7) cerca de la raíz de la pala, conectado a un equipo para llevar a cabo análisis de emisiones acústicas utilizando las señales registradas por dicho transductor (15); -e) comparar las señales registradas por dicho al menos un transductor acústico (15) comprendidas dentro del rango de frecuencias correspondiente a dichos eventos predeterminados de daño, separando el efecto debido al comportamiento reverberante de la cavidad interior (7), con dichas características sónicas para identificar un evento de daño y su localización.
    2 o
    2.-Un método para monitorizar la salud estructural de una pala de aerogenerador según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha cavidad interior (7) es la cavidad de la viga de la pala.
    2 5
    3.-Un método para monitorizar la salud estructural de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque dicho rango de frecuencias está comprendido entre 1 Hz-1 O kHz.
  2. 4.-Un método para monitorizar la salud estructural de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque dicho rango de frecuencias está comprendido entre 100 Hz-5 kHz.
  3. 5.-Un método para monitorizar la salud estructural de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dichos eventos predeterminados de daños incluyen la rotura de fibras.
    5 6.-Un método para monitorizar la salud estructural de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque dichos eventos predeterminados de daños incluyen el fallo de una unión pegada.
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